폰으로 보는 어둠 속 빛 알갱이 (어두운 사진의 잡음)

Phone: the grain in near-dark photos (photon noise)

어두운 방에서 찍은 폰 사진은 왜 밝은 곳에서 찍은 사진보다 자글자글할까요?

무슨 일이 일어났나

어두운 곳에서 찍은 사진이 자글자글한 큰 까닭 하나는, 화소마다 들어오는 빛 알갱이 수가 무작위로 들쭉날쭉하기 때문입니다(광자 잡음).

MagLab 에 따르면 광자 잡음은 광자가 도착하는 빠르기의 통계적 흔들림이고, 도착 간격은 푸아송 통계를 따르며, 그 크기는 신호의 제곱근입니다.

그래서 MagLab 의 예처럼 신호가 2,500 이면 신호 대 잡음비는 2500/50 을 넘지 못하고, 시뮬레이터에서도 화소당 100 개면 잡음 10 %, 25 개면 20 % 입니다.

노출을 늘리거나 장면을 밝게 해 화소당 빛 알갱이를 10,000 개로 모으면 잡음은 1 % 로 줄어듭니다.

IEEE 기념 동판에 따르면 디지털카메라의 영상 센서로 쓰인 CCD 는 1969 년 10 월 17 일 AT&T 벨 연구소에서 발명되었습니다.

💡 생활 속 예시

  • 밤 콘서트장에서 찍은 사진의 어두운 객석 부분이 유난히 자글자글한 것은, 그 화소들에 빛 알갱이가 적게 들어왔기 때문입니다.
  • 별 사진을 찍는 사람들이 몇 분씩 노출하거나 여러 장을 겹치는 것은, 빛 알갱이를 많이 모아 잡음 비율을 줄이려는 것입니다.

🧪 해 보기

  1. 폰 카메라를 «프로(수동)» 모드로 바꿔 ISO 와 셔터 시간을 직접 정할 수 있게 하고, 폰을 책 더미 위에 올려 움직이지 않게 둡니다.
  2. 불을 끄고 커튼을 친 방에서 작은 스탠드 하나만 켜, 벽의 같은 곳을 비춥니다.
  3. 셔터 1/30 초 · ISO 3200, 1/8 초 · ISO 800, 1/2 초 · ISO 200 처럼 셔터 시간을 늘리는 만큼 ISO 를 낮춰, 밝기가 비슷한 사진 세 장을 찍습니다.
  4. 세 장을 크게 키워 벽의 같은 자리를 견주면, 셔터가 짧은(빛 알갱이를 적게 모은) 사진일수록 더 자글자글합니다.
  5. 셔터 시간이 4 배 길어질 때마다 거칠기가 절반쯤 되는지 보고, 이 쪽 시뮬레이터에서 노출을 4 배로 바꿔 잡음 %를 견줍니다.
  • ⚠️ 불을 끄기 전에 바닥의 물건을 치우고, 스탠드 전선에 발이 걸리지 않게 둡니다.
  • ⚠️ 오래 켜 둔 스탠드 전구는 뜨거울 수 있으니 만지지 않습니다.
  • ⚠️ 어린이는 어른과 함께 하고, 플래시를 사람 눈을 향해 터뜨리지 않습니다.
  • ⚠️ 찍은 사진은 내 폰 앨범 안에서만 견주고, 다른 곳으로 보내거나 올리지 않습니다.

누가 왜 찾았나

IEEE 기념 동판에 따르면 CCD 는 1969 년 10 월 17 일 AT&T 벨 연구소에서 발명되어 디지털카메라 · 스캐너 · 비디오카메라의 영상 센서가 되었고, 보일과 스미스는 이 영상 반도체 회로로 2009 년 노벨 물리학상을 받았습니다. 이런 센서는 화소마다 들어온 빛을 전하로 모아 세기 때문에, 어두운 사진에서는 빛 알갱이 수의 흔들림이 그대로 잡음으로 드러납니다.

확인된 값

CCD 를 발명한 날 · 곳 (AT&T 벨 연구소)
1969-10-17 출처
보일 · 스미스 2009 노벨 물리학상 수상 이유
2009 출처
CCD 는 디지털카메라 · 스캐너 · 비디오카메라의 영상 센서
image sensors 출처
광자 잡음 = 광자가 도착하는 빠르기의 통계적 흔들림
photon noise 출처
광자 도착 간격은 푸아송 통계를 따른다
Poisson 출처
광자 잡음 = 신호의 제곱근
√signal 출처
예: 신호 전자 2500 개 → 신호 대 잡음비는 2500/50 을 넘지 못함
2500 출처

교육과정에서는

  • 한국 2022 · 전자기와 양자 · 양자와 미시세계
  • 한국 2022 · 고급 물리학 · 현대 물리

출처

이어서 보기

같은 단원 · 원자와 양자 역학

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